(57)【要約】回折格子測定装置において、周波数の異なる２つのビームを生成し、２つのビームの中の一つは測定ビームとし、他の一つは参照ビームとする光源モジュール（３００）と、回折格子（２００）と、回折格子測定プローブ（１００）であって、二重周波数光入射モジュール、垂直測定モジュール、垂直検出モジュール及び参照検出モジュールを含み、前記二重周波数光入射モジュールは前記測定ビーム及び参照ビームを受信し、前記垂直測定モジュールは前記測定ビームを前記回折格子（２００）上に投射して、前記回折格子によって二次回折された後の回折光の０次回折光を収集し、また、前記０次回折光を前記垂直検出モジュールに投射し、前記０次回折光束は前記参照ビームと前記垂直検出モジュールで干渉が発生して垂直干渉信号を形成し、前記参照検出モジュールにおける前記測定ビームと参照ビームが干渉を発生して参照干渉信号を形成する回折格子測定プローブ（１００）と、前記垂直干渉信号と参照干渉信号を受信した後、前記回折格子（２００）の垂直変位を計算する信号処理モジュールと、を含む。前記回折格子測定装置は作動距離下で広範囲の垂直変位測定を実現することができる。
2019523403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子（２００）の変位を測定するための回折格子測定装置において、
周波数の異なる２つのビームを生成し、前記２つのビームの中の一つは測定ビームとし、他の一つは参照ビームとする光源モジュール（３００）と、
回折格子測定プローブ（１００）であって、二重周波数光入射モジュール、垂直測定モジュール、垂直検出モジュール及び参照検出モジュールを含み、前記二重周波数光入射モジュールは前記測定ビーム及び参照ビームを受信して、前記測定ビームを前記垂直測定モジュール及び参照検出モジュールに投射し、前記参照ビームを前記垂直検出モジュール及び参照検出モジュールに投射し、前記垂直測定モジュールは前記測定ビームを前記回折格子（２００）上に投射して、前記回折格子によって二次回折された後の回折光の０次回折光（５０６）を収集し、前記０次回折光を前記垂直検出モジュールに投射し、前記０次回折光（５０６）は前記参照ビームと前記垂直検出モジュールで干渉が発生して垂直干渉信号を形成し、前記参照検出モジュールにおける前記測定ビームと参照ビームは干渉を発生して参照干渉信号を形成する回折格子測定プローブ（１００）と、
前記垂直干渉信号と参照干渉信号を受信して、前記回折格子（２００）の垂直変位を計算する信号処理モジュールと、を含む、
ことを特徴とする回折格子測定装置。
【請求項２】
前記光源モジュール（３００）はレーザー３０１、アイソレータ（３０２）、ビームスプリッタ（３０３、３０４）、周波数シフター（３０５、３０６）、第一カプラ（３０７）及び第二カプラ（３０８）を含み、前記レーザーから発するビームはアイソレータを経て前記ビームスプリッタによって二つのビームに分割され、前記周波数シフターによって周波数の異なる２つのビームを生成し、前記２つのビームはそれぞれ第一カプラ及び第二カプラによってカップリングされた後、前記回折格子測定プローブ（１００）に伝送される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【請求項３】
前記レーザー（３０１）から発するレーザーは４００〜１５００ｎｍの間の何れかの波長を有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の回折格子測定装置。
【請求項４】
前記周波数シフター（３０５、３０６）はゼーマン周波数分割器、複屈折素子または２つの音響光学周波数シフターである、
ことを特徴とする請求項２に記載の回折格子測定装置。
【請求項５】
前記回折格子（２００）は一次元回折格子または二次元回折格子である、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【請求項６】
前記垂直測定モジュールは、偏光ビームスプリッタプリズム（１２１）、コーナーキューブプリズム（１２２）、及び偏光コントローラ（１２３）を含み、前記測定ビームは、まず偏光ビームスプリッタプリズム（１２１）を透過し、前記偏光コントローラ（１２３）によって偏光方向を回転した後、前記回折格子（２００）に投射されて回折され、回折光の中の０次回折光は再び前記偏光コントローラ（１２３）によって偏光方向を回転し、偏光ビームは前記偏光ビームスプリッタプリズム（１２１）を通過する時に反射が発生し、コーナーキューブプリズム（１２２）を経て偏光ビームスプリッタプリズムに戻り、再び前記回折格子（２００）に入射されて二次回折が発生し、二次回折光の中の０次回折光（５０６）は前記偏光ビームスプリッタプリズム（１２１）によって最終的に前記垂直測定モジュールに投射される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【請求項７】
前記偏光コントローラ（１２３）はファラデー回転子または１／２波長板を用いる、
ことを特徴とする請求項６に記載の回折格子測定装置。
【請求項８】
前記二重周波数光入射モジュールは、第一ビームスプリッタ（１３１）及び第二ビームスプリッタ（１３２）を含み、前記垂直検出モジュールは第一遠隔カプラ（１３５）を含み、前記測定ビームは前記第一ビームスプリッタ（１３１）によって第一測定分割ビーム及び第二測定分割ビームに分割され、第一測定分割ビーム（５０１）は前記垂直測定モジュールによって前記回折格子（２００）に投射され、第二測定分割ビーム（５０２）は前記参照検出モジュールに投射され、前記参照ビームは前記第二ビームスプリッタ（１３２）によって第一参照分割ビーム及び第二参照分割ビームに分割され、第一参照分割ビーム（５０３）は、第一測定分割ビームが前記垂直測定モジュールを経て出射された後のビーム（５０６）と前記第一遠隔カプラ（１３５）によってカップリングされ、第二参照分割ビーム（５０４）は前記参照検出モジュールに投射される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【請求項９】
前記二重周波数光入射モジュールは、第一ビームスプリッタ（１３１）及び第二ビームスプリッタ（１３２）を含み、前記垂直検出モジュールは第一遠隔カプラ（１３５）及び第五ビームスプリッタ（１３ｂ）を含み、前記測定ビームは前記第一ビームスプリッタ（１３１）によって第一測定分割ビーム及び第二測定分割ビームに分割され、第一測定分割ビーム（５０１）は前記垂直測定モジュールによって前記回折格子（２００）に投射され、第二測定分割ビーム（５０２）は前記参照検出モジュールに投射され、前記参照ビームは前記第二ビームスプリッタ（１３２）によって第一参照分割ビーム及び第二参照分割ビームに分割され、第一参照分割ビーム（５０３）は前記第五ビームスプリッタ（１３ｂ）を通過して第一測定分割ビームが前記垂直測定モジュールを経て出射された後のビーム（５０６）と組み合わせた後、前記第一遠隔カプラ（１３５）によってカップリングされ、第二参照分割ビーム（５０４）は前記参照検出モジュールに投射される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【請求項１０】
ビームのステアリング及び伝播を実現するための複数の反射鏡アセンブリをさらに含む、
ことを特徴とする請求項８または９に記載の回折格子測定装置。
【請求項１１】
前記二重周波数光入射モジュールは第一視準器（１１１）、第二視準器（１１２）及びウェッジ対（１１３）をさらに含み、前記測定ビームは前記第一視準器（１１１）及びウェッジ対（１１３）によって視準され、且つ角度が制御され、前記参照ビームは前記第二視準器（１１２）によって視準される、
ことを特徴とする請求項１、８または９に記載の回折格子測定装置。
【請求項１２】
前記光源モジュール（３００）と前記回折格子測定プローブ（１００）は偏波保持ファイバ（４０１、４０２）を介して連結される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【請求項１３】
前記測定ビームの偏光方向と前記参照ビームの偏光方向の間に第一夾角が存在し、相応して、前記偏光ビームスプリッタプリズム（１２１）の配置方向は第一夾角だけ回転し、前記偏光コントローラ（１２３）を経て出射されるビームの偏光方向も第一夾角だけ回転する、
ことを特徴とする請求項６に記載の回折格子測定装置。
【請求項１４】
前記第一夾角は４５度である、
ことを特徴とする請求項１３に記載の回折格子測定装置。
【請求項１５】
前記回折格子の表面に入射されるビームの偏光方向と前記回折格子（２００）の格子方向の間に第二夾角が存在する、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【請求項１６】
前記第二夾角は４５＋ｋ＊９０度であり、ｋは自然数である、
ことを特徴とする請求項１５に記載の回折格子測定装置。
【請求項１７】
前記垂直検出モジュールはマルチモードファイバ（４０３）を介して前記信号処理モジュールに連結される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【請求項１８】
前記参照検出モジュールはマルチモードファイバ（４０４）を介して前記信号処理モジュールに連結される、
ことを特徴とする請求項１に記載の回折格子測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は集積回路の製造分野に関し、特に回折格子測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ測定技術は、ナノ加工、ナノ操作、ナノ材料の基盤である。ＩＣ産業、精密機械、及び微小電気機械システムではナノ精度の位置決めを実現するために高解像度及び精度の高い変位センサーが要求される。集積回路の大規模、高集積化方向への飛躍的な発展につれて、リソグラフィ装置の精度に対する要求はますます高くなり、それに伴って、ワークピーステーブル、マスクテーブルの６自由度位置情報を得る精度に対する要求も高くなっている。  
【０００３】
干渉計は比較的高い測定精度を有し、ナノスケールまで達することができ、リソグラフィ装置において、ワークピーステーブル、マスクテーブルの位置の測定に用いられる。しかしながら、現在の干渉計は測定精度がほぼ限界に達しており、干渉計の測定精度は周囲環境の影響を大きく受けるため、測定再現性が低く、環境が良くても誤差が１ｎｍを超えることになる。そのため、従来の干渉計測定システムではオーバーレイ精度をさらに向上させる要求を充足することが困難であった。そこで、精度、安定性の高いピコメーター測定方案が切実に必要とされている。
【０００４】
回折格子測定システムは、作動中に環境による影響が比較的少なく、比較的高い再現性を有し、新世代リソグラフィシステムにおいて漸次に干渉計に代わって、高精度、高安定性のピコメーター精度の測定作業を引き受けている。米国特許公開番号ＵＳ７３８９５９５には光ファイバ伝送に基づく２次元回折格子測定システムが開示されており、光源と検出信号光は何れも光ファイバを用いて伝送される。当該特許方案によれば、光源は半導体レーザーであり、ホモダイン検出方法で回折格子と読取ヘッドの間の変移を測定する。しかしながら、ホモダイン検出方法は干渉防止能力が比較的に弱いため、位置データーが外部迷光、電磁場及び振動干渉の影響を受けやすい。中国特許出願番号ＣＮ２０１２１０４４９２４４．９には二重周波数ヘテロダイン測定システムが開示されており、当該システムは測定精度を効果的に向上させることができる。しかしながら、当該発明は検出信号のみ光ファイバを通じて伝送し、レーザー光源と回折格子読取ヘッドが一緒に配置されているため、体積が大きくて、空間の狭い場所に用いることは適しない。また、該回折格子が読取ヘッドの間に対してＲｘ、Ｒｙ角度偏向される場合、測定システムの干渉性能が低減され、測定システムの故障を引き起こすので、当該発明において回折格子及び読取ヘッドの設置及び調節は非常に難しく、設置及び使用が不便である。
【０００５】
米国公開番号ＵＳ８３００２３３Ｂ２には回折格子スケール測定システムが開示されており、当該発明ではビームを用いて回折格子に垂直に入射し、コーナーキューブプリズムは回折光を戻した後に水平方向及び垂直方向の二次元位置データを得る。コーナーキューブプリズムの構造を用いるため、回折格子及びプローブとの間で垂直運動がある場合には、受信機における参照スポットと測定スポットに偏移が発生し、参照スポットと測定スポットが完全に偏移されると有効な干渉を形成することができない。このため、垂直の測定範囲がスポットサイズの大きさに制限され、当該発明においては、回折格子とプローブとの間の垂直測定範囲は非常に小さい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は任意の作動距離で大範囲の垂直変位の測定を実現する回折格子測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した技術問題を解決するために、本発明は回折格子の変位を測定するための回折格子測定装置を提供するものであり、回折格子測定装置は、
周波数の異なる２つのビームを生成し、前記２つのビームの中の一つは測定ビームとし、他の一つは参照ビームとする光源モジュールと、
回折格子測定プローブであって、二重周波数光入射モジュール、垂直測定モジュール、垂直検出モジュール及び参照検出モジュールを含み、前記二重周波数光入射モジュールは前記測定ビーム及び参照ビームを受信して、前記測定ビームを前記垂直測定モジュール及び参照検出モジュールに投射し、前記参照ビームを前記垂直検出モジュール及び参照検出モジュールに投射し、前記垂直測定モジュールは前記測定ビームを前記回折格子上に投射して、前記回折格子によって二次回折された後の回折光の０次回折光を収集し、前記０次回折光を前記垂直検出モジュールに投射し、前記０次回折光は前記参照ビームと前記垂直検出モジュールで干渉が発生して垂直干渉信号を形成し、前記参照検出モジュールにおける前記測定ビームと参照ビームは干渉を発生して参照干渉信号を形成する回折格子測定プローブと、
前記垂直干渉信号と参照干渉信号を受信して、前記回折格子の垂直変位を計算する信号処理モジュールと、を含む。
【０００８】
好ましくは、前記光源モジュールは、レーザー、アイソレータ、ビームスプリッタ、周波数シフター、第一カプラ及び第二カプラを含み、前記レーザーから発するビームはアイソレータを経て前記ビームスプリッタによって二つのビームに分割され、また前記周波数シフターによって周波数の異なる２つのビームを生成し、前記２つのビームはそれぞれ第一カプラ及び第二カプラによってカップリングされた後、前記回折格子測定プローブに伝送される。
【０００９】
好ましくは、前記レーザーから発するレーザーは４００〜１５００ｎｍの間の何れかの波長を有する。
【００１０】
好ましくは、前記周波数シフターはゼーマン周波数分割器、複屈折素子または２つの音響光学周波数シフターである。
【００１１】
好ましくは、前記回折格子は一次元回折格子または二次元回折格子である。
【００１２】
好ましくは、前記垂直測定モジュールは、偏光ビームスプリッタプリズム、コーナーキューブプリズム、及び偏光コントローラを含み、前記測定ビームは、まず偏光ビームスプリッタプリズムを透過し、前記偏光コントローラ１２３によって偏光方向を回転した後、前記回折格子に投射されて回折され、回折光の中の０次回折光は再び前記偏光コントローラによって偏光方向を回転し、偏光ビームは前記偏光ビームスプリッタプリズムを通過する時に反射が発生し、コーナーキューブプリズムを経て偏光ビームスプリッタプリズムに戻り、再び前記回折格子に入射されて二次回折が発生し、二次回折光の中の０次回折光は前記偏光ビームスプリッタプリズムによって最終的に前記垂直測定モジュールに投射される。
【００１３】
好ましくは、前記偏光コントローラはファラデー回転子または１／２波長板を用いる。
【００１４】
好ましくは、前記二重周波数光入射モジュールは、第一ビームスプリッタ及び第二ビームスプリッタを含み、前記垂直検出モジュールは第一遠隔カプラを含み、前記測定ビームは前記第一ビームスプリッタによって第一測定分割ビーム及び第二測定分割ビームに分割され、第一測定分割ビームは前記垂直測定モジュールによって前記回折格子に投射され、第二測定分割ビームは前記参照検出モジュールに投射され、前記参照ビームは前記第二ビームスプリッタ前記参照ビームは前記第二ビームスプリッタによって第一参照分割ビーム及び第二参照分割ビームに分割され、第一参照分割ビームは、第一測定分割ビームが前記垂直測定モジュールを経て出射された後のビームと前記第一遠隔カプラによってカップリングされ、第二参照分割ビームは前記参照検出モジュールに投射される。
【００１５】
好ましくは、前記二重周波数光入射モジュールは、第一ビームスプリッタ及び第二ビームスプリッタを含み、前記垂直検出モジュールは第一遠隔カプラ及び第三ビームスプリッタを含み、前記測定ビームは前記第一ビームスプリッタによって第一測定分割ビーム及び第二測定分割ビームに分割され、第一測定分割ビームは前記垂直測定モジュールによって前記回折格子に投射され、第二測定分割ビームは前記参照検出モジュールに投射され、前記参照ビームは前記第二ビームスプリッタ前記参照ビームは前記第二ビームスプリッタによって第一参照分割ビーム及び第二参照分割ビームに分割され、第一参照分割ビームは前記第三ビームスプリッタを通過して第一測定分割ビームが前記垂直測定モジュールを経て出射された後のビームと組み合わせた後、前記第一遠隔カプラによってカップリングされ、第二参照分割ビームは前記参照検出モジュールに投射される。
【００１６】
好ましくは、ビームのステアリング及び伝播を実現するための複数の反射鏡アセンブリをさらに含む。
【００１７】
好ましくは、前記二重周波数光入射モジュールは第一視準器、第二視準器及びウェッジ対を含み、前記測定ビームは前記第一視準器及びウェッジ対によって視準され、且つ角度が制御され、前記参照ビームは前記第二視準器によって視準される。
【００１８】
好ましくは、前記光源モジュールと前記回折格子測定プローブは偏波保持ファイバを介して連結される。
【００１９】
好ましくは、前記測定ビームの偏光方向と前記参照ビームの偏光方向の間に第一夾角が存在し、相応して、前記偏光ビームスプリッタプリズムの配置方向は第一夾角だけ回転し、前記偏光コントローラを経て出射されるビームの偏光方向も第一夾角だけ回転する。
【００２０】
好ましくは、前記第一夾角は４５度である。
【００２１】
好ましくは、前記回折格子の表面に入射されるビームの偏光方向と前記回折格子の格子方向の間に第二夾角が存在する。
【００２２】
好ましくは、前記第二夾角は４５＋ｋ＊９０度であり、ｋは自然数である
【００２３】
好ましくは、前記垂直検出モジュールはマルチモードファイバを介して前記信号処理モジュールに連結される。
【００２４】
好ましくは、前記参照検出モジュールはマルチモードファイバを介して前記信号処理モジュールに連結される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、従来技術に比べて以下のような長所を有する。
【００２６】
１：本発明は全ファイバ伝送を実現することができ、干渉防止能力が強く、測定精度及び繰り返し測定精度が高く、また非線形誤差の影響がないとともに、構造が簡単であり、設置及び使用が便利な特徴があり、高い安定性が要求されるピコメーター精度の多次元測定分野に極めて適する。
【００２７】
２：本発明の回折格子測定装置における水平測定モジュールは２つのビームを制御して水平変位測定を実現することができ、水平検出モジュールは水平方向における変位信号及び参照光信号を検出して水平方向（Ｘ／Ｙ）の二次元検出を実現することができ、Ｘ方向の測定点とＹ方向の測定点を同じにすることができるので、被測定点が異なることによる測定誤差を効果的に減少し、また、回折格子に必要な光通過面のサイズを大幅に減少させて、回折格子費用を減少させた。さらに、本発明は回折格子測定プローブのサイズをよりコンパクトにして設置空間を圧縮させることもできる。
【００２８】
３：本発明は回折格子の０次反射光を直接利用して測定することによって、垂直測定距離がスポットサイズの制限を受けず、何れの距離の垂直測定を実現することができる。
【００２９】
４：本発明は水平方向（Ｘ／Ｙ）と垂直方向（Ｚ）の測定方式を効果的に組み合わせて多軸測定を実現することもできる。また、垂直（Ｚ）測定時に水平方向（Ｘ／Ｙ）の測定時に用いない０次反射光を用いて実現して、回折格子スケール測定システムのエネルギー利用率を向上させた。入射光の出力を増加することなく測定軸の数を増加した。
【００３０】
５：本発明は集積度が非常に高い三軸または多軸読取ヘッドを製造することができ、空間及びサイズに対する要求が非常に高く、また測定精度及び再現性に対する要求が極めて高い移動テーブルの多軸測定制御システムに適用される。
【００３１】
６：本発明は全ファイバ伝送に基づく二重周波数ヘテロダイン回折格子測定を実現することができる。
【００３２】
７：本発明は光源としてガスレーザーを用いるので、可干渉距離が長く、回折格子と回折格子測定プローブの傾斜または偏向が比較的に大きい場合、有効な干渉を確保することができる。
【００３３】
８：本発明はレーザー光源と回折格子読取ヘッドとの分離を実現することができ、読取ヘッドの体積が小さく、空間がコンパクトな使用状況に適用されることができる。
【００３４】
９：本発明は二重周波数検出を用いることによって安定性がより高く、干渉防止能力がより強く、測定精度及び重複性により優れている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１における回折格子測定装置の構造を示す図面である。
【図２】本発明の実施例２における回折格子測定装置の構造を示す図面である。
【図３】本発明の実施例３における回折格子測定装置の構造を示す図面である。
【図４】本発明の実施例３においてビームが垂直測定モジュールを通過した偏光状態変化を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の前述した目的、特徴及び長所をより明確で、且つ分かりやすくするために、図面とともに本発明の具体的な実施形態について詳しく説明する。なお、本発明の図面は何れも非常に簡易化した形式を採用し、且つ正確ではない縮尺比率を使用しており、本発明の実施例を容易かつ明確に説明することを補助するために用いられることに留意すべきである。
【実施例１】
【００３７】
図１に示すように本実施例における回折格子測定装置は回折格子２００の変位を測定するためのものであり、
周波数の異なる２つの光束を生成し、区別のために、前記２つの光束中の一つを測定ビームと称し、もう一つは参照ビームと称する光源モジュール３００と、
第一検出器と、
第二検出器と、
回折格子測定プローブ１００であって、二重周波数光入射モジュール、垂直検出モジュール、垂直測定モジュール及び参照検出モジュールを含み、前記二重周波数光入射モジュールは前記測定ビーム及び参照ビームを受信して、前記測定ビームを前記垂直測定モジュール及び参照検出モジュールに投射し、前記参照ビームを前記垂直検出モジュール及び参照検出モジュールに投射し、前記垂直測定モジュールは前記測定ビームを前記回折格子２００上に投射し、前記回折格子２００によって二次回折された後の回折光の０次回折光を収集し、前記０次回折光を前記垂直検出モジュールに投射し、前記０次回折光は前記参照ビームと前記垂直検出モジュールで干渉が発生して垂直干渉信号を形成した後第一検出器によって検出され、前記参照検出モジュールにおける前記測定ビームと参照ビームが干渉を発生して参照干渉信号を形成した後第二検出器によって検出される回折格子測定プローブ１００とを含み、前記装置は、前記垂直干渉信号と参照干渉信号を受信した後、前記回折格子２００の垂直変位を計算する信号処理モジュールをさらに含む。
【００３８】
続いて、図１に示すように、前記光源モジュール３００は、レーザー３０１、アイソレータ３０２、光学スプリッタ、周波数シフター及びカプラを含み、光学スプリッタはビームスプリッタ３０３及び反射鏡３０４を含む。
【００３９】
前記レーザー３０１は４００〜１５００ｎｍの間の何れかの波長を用い、例えば６３３ｎｍ、７８０ｎｍ、９８０ｎｍの波長を用いる。さらに、前記レーザー３０１上に波長モニタリングシステムがさらに設けられ、レーザー３０１の波長の変化情況をモニタリングし、また波長を補償する。さらに、前記レーザー３０１はヘリウム−ネオンレーザーのようなガスレーザーを直接用いることができ、線幅が極めて狭く、周波数の安定性が優れるという特徴がある。前記レーザー３０１はレーザービームを発生し、前記レーザービームは直線偏光であり、偏光方向はＰ偏光であってもよく、Ｓ偏光であってもよい。
【００４０】
前記アイソレータ３０２は前記レーザー３０１の出口に設置されて反射エコーを阻止し、前記アイソレータ３０２は傾斜面を有する光ファイバチップで代替することもでき、同じく、反射エコーの影響を低減することができる。レーザー３０１上にアイソレータ３０２または傾斜面を有する光ファイバチップを装着することによってレーザー３０１の安定性を向上させることができる。
【００４１】
前記周波数シフターは音響光学周波数シフター、電気光学周波数シフター、ゼーマン周波数分割器または複屈折素子を用い、本実施例では音響光学周波数シフターが好ましい。本実施例における周波数シフター及びカプラは二組で、区別のためにそれぞれ第一周波数シフター３０５及び第二周波数シフター３０６、第一カプラ３０７及び第二カプラ３０８と称する。レーザー３０１から発するビームは前記ビームスプリッタ３０３によって二つのビームに分割され、一つのビームは前記第一周波数シフター３０５によって所定の周波数シフト量を発生した後、第一カプラ３０７を通って出射されて測定ビームを形成し、他のビームは反射鏡３０４を通じて前記第二周波数シフター３０６に入射して前のビームと異なる周波数シフト量を発生した後第二カプラ３０８を通って出射されて参照ビームを形成する。
【００４２】
さらに、前記２つの周波数が異なる一定の周波数差を有するビーム、即ち測定ビームと参照ビームは前記偏波保持ファイバ４０１、４０２を介して回折格子測定プローブ１００に遠隔伝送される。
【００４３】
続いて、図１に示すように、前記二重周波数光入射モジュールは、第１視準器１１１、第２視準器１１２及びウェッジ対１１３を含み、前記ウェッジ対１１３の位置は前記第一視準器１１１の位置に対応し、前記測定ビームは前記第１視準器１１１及びウェッジ対１１３によって視準にされ、且つ角度が制御され、前記参照ビームは前記第２視準器１１２によって視準にされ、前記ウェッジ対１１３は前記測定ビームと参照ビームの相対的平行度を制御する。前記二重周波数光入射モジュールは、第１ビームスプリッタ１３１及び第２ビームスプリッタ１３２をさらに含む。前記垂直検出モジュールは第一遠隔カプラ１３５を含み、前記参照検出モジュールは第２遠隔カプラ１３６及び第３ビームスプリッタ１３３を含む。
【００４４】
前記測定ビームは、前記第１ビームスプリッタ１３１によって２つの測定分割ビームに分割され、一つの測定分割ビーム５０１は前記垂直測定モジュールを経て前記回折格子２００に投射され、他の測定分割ビーム５０２は前記参照検出モジュールに投射される。
【００４５】
前記参照ビームは前記第２ビームスプリッタ１３２によって２つの参照分割ビームに分割され、一つの参照分割ビーム５０３は前記垂直測定モジュールを経て出射された後の測定分割ビーム（即ち、前述の二次回折後の回折光のゼロ次回折光）と前記垂直検出モジュール（第一遠隔カプラ１３５）によってカップリングされ、他の参照分割ビーム５０４は前記参照検出モジュールに投射される。即ち、前記第３ビームスプリッタ１３３によって反射された後第２遠隔カプラ１３６に入射される。
【００４６】
続いて、図１に示すように、前記垂直測定モジュールは、偏光ビームスプリッタプリズム１２１、コーナーキューブプリズム１２２、及び偏光コントローラ１２３を含む。ここで、偏光ビームスプリッタプリズム１２１は、並んで配置された２つのビームスプリッタを含み、図面に示すように、Ｘ方向に沿って並んで設置される。なお、図面における光路の方向は正確なものではなく実際の光路と偏差がある場合があり、図面は光線の伝播方向及び偏光方向を概略的に示すだけの目的で示している。例えば、図面において、本発明をより簡単、且つ明確に理解するために互いに重なる二つの光路を特別に分割して示しているので、図面の光路によって本発明が制限されるのではないことに留意すべきである。
【００４７】
測定ビームは第１ビームスプリッタ１３１によって分割された後、その中の一つの測定分割ビーム５０１は、まず＋Ｚ方向に沿って偏光ビームスプリッタプリズム１２１に入射し、偏光ビームスプリッタプリズム１２１を透過し、偏光コントローラ１２３によって偏光方向を回転して回折格子２００に投射されて回折が発生し、回折光中の０次回折光５０５は、−Ｚ方向に沿って元の経路に戻り、再び偏光コントローラ１２３によって偏光方向を回転する。偏光ビームは偏光ビームスプリッタプリズム１２１を通過する時に反射が発生し、コーナーキューブプリズム１２２を経て偏光ビームスプリッタプリズム１２１に戻り、再び＋Ｚ方向に沿って回折格子２００上（図面の点線の光路参照）に入射されて２次回折が発生し、２次回折光の中の０次回折光５０６は−Ｚ方向に沿って元の経路に戻り、前記偏光ビームスプリッタプリズム１２１によって、最終的に垂直検出モジュールに投射される。
【００４８】
前記偏光コントローラ１２３はファラデー回転子または１／２波長板を用い、前記回折格子２００は１次元回折格子または２次元回折格子であり、回折格子２００の格子は正弦波状、矩形状または鋸歯状である。
【００４９】
続いて、図１に示すように、前記垂直検出モジュールは、前記垂直測定モジュールと前記第１遠隔カプラ１３５との間に設置された第１反射鏡１３７及び第２反射鏡１３８をさらに含み、前記垂直測定モジュールから戻された０次ビーム５０６を第１遠隔カプラ１３５、参照分割ビーム５０３のステアリングを実現するための第３反射鏡１３９、及び測定分割ビーム５０２のステアリングを実現するための第４反射鏡１３ａに投射する。さらに、前記第２反射鏡１３８と第１遠隔カプラ１３５との間には第４ビームスプリッタ１３４がさらに設置されて、ビーム５０３及び５０６を結合して第１遠隔カプラ１３５に投射する。
【００５０】
前記光源モジュール３００と前記回折格子測定プローブ１００の間は偏波保持ファイバ４０１、４０２を介して接続され、前記回折格子測定プローブ１００と前記第１検出器及び第２検出器（図示せず）の間はマルチモードファイバ４０３、４０４を介して接続される。
【００５１】
具体的には、光源モジュール３００の中のヘリウム−ネオンレーザーは周波数ｆ０のヘリウム−ネオンレーザービームを出射し、アイソレータ３０２を通過した後、ビームスプリッタ３０３によって２つの経路に分割されて、それぞれ第１周波数シフター３０５及び第２周波数シフター３０６に入射される。ここで、第１周波数シフター３０５の周波数シフト量はΔｆ１であり、第１周波数シフタ３０５のヘリウム−ネオンレーザビームを通過して、周波数はｆ０＋Δｆ１になり、第２周波数シフタ３０６の周波数シフト量はΔｆ２であり、第２周波数シフター３０６のヘリウム−ネオンレーザビームを通過して、周波数がｆ０＋Δｆ２になる。この２つのビームはそれぞれ第１カプラ３０７及び第２カプラ３０８によって偏波保持ファイバ４０１、４０２にカップリングされて、回折格子測定プローブ１００に遠隔伝送される。
【００５２】
周波数がそれぞれｆ０＋Δｆ１及びｆ０＋Δｆ２の二つのビームは前記回折格子測定プローブ１００上に投射され、区別のために、周波数がｆ０＋Δｆ１の偏光ビームを測定ビームと称し、周波数がｆ０＋Δｆ２のビームは参考ビームと称する。ここで、測定ビームは第一視準器１１１によって視準された後、ウェッジ対１１３によって角度が制御され、続いて、第一ビームスプリッタ１３１によって二つのビーム５０１、５０２に分割される。また、測定分割ビーム５０１は偏光ビームスプリッタプリズム１２１を透過し、また偏光コントローラ１２３によって偏光方向を４５度回転し、回折格子２００に投射されて回折格子２００によって０次ビーム５０５に回折され、再び、偏光コントローラ１２３によって偏光方向を４５度回転し、この時に、前記測定分割ビーム５０５の偏光方向は入射時に対して９０度回転して入射ビームの偏光方向と直交する。このため、偏光ビームスプリッタプリズム１２１を通過する時に反射が発生し、コーナーキューブプリズム１２２を経て偏光ビームスプリッタプリズム１２１に戻って再び回折格子２００に入射されて二次回折が発生すると同時に０次回折光５０６に戻り、前記０次回折光５０６は前記第一反射鏡１３７及び第二反射鏡１３８によってステアリングされ、第四ビームスプリッタ１３４によって最終的に第一遠隔カプラ１３５に入射される。他の測定分割ビーム５０２は第四反射鏡１３ａによって反射され、第三ビームスプリッタ１３３を経て第二遠隔カプラ１３６に投射される。
【００５３】
前記参照ビームは第２視準器１１２によって視準された後、第２ビームスプリッタ１３２によって２つのビーム５０３、５０４に分割され、一つの参照分割ビーム５０３は第３反射鏡１３９によってステアリングされ、第四ビームスプリッタ１３４によって前記０次回折光５０６と組み合わせた後、第一遠隔カプラ１３５に投射され、他の参照分割ビーム５０４は他の測定分割ビーム５０２と前記第三ビームスプリッタ１３３によって組み合わせた後、第二遠隔カプラ１３６に投射される。
【００５４】
回折格子２００が回折格子測定プローブ１００に対してＺ方向、即ち垂直方向に移動する時には、垂直測定モジュールから投射された０次回折光５０６にはｆ０＋Δｆ１＋ΔＺの変位情報が含まれ、参照分割ビーム５０３と組み合わせた後、第一遠隔カプラ１３５によってカップリングされて（Δｆ２−Δｆ１−ΔＺ）の干渉信号を形成し、マルチモードファイバ４０３を介して第一検出器に伝送される。他の測定分割ビーム５０２は他の参照分割ビーム５０４と組み合わせた後、第二遠隔カプラ１３６によってカップリングされて、（Δｆ２−Δｆ１）の干渉信号を形成し、マルチモードファイバ４０３を介して第二検出器に伝送される。信号処理モジュールは第一検出器及び第二検出器から受信した信号によって第一遠隔カプラ１３５から検出した被測定変位を含む測定干渉信号（Δｆ２−Δｆ１−ΔＺ）と第二遠隔カプラ１３６から検出した被測定変位を含まない参照干渉信号（Δｆ２−Δｆ１）との差を計算すれば回折格子２００が回折格子測定プローブ１００に対するＺ方向での変位量ΔＺを分かることがことができるので、垂直測定を実現する。
【実施例２】
【００５５】
本実施例は参照ビームの路線が異なる点で実施例１と区別される。
【００５６】
図２に示すように、実施例１と比較すると、前記垂直検出モジュールの上部に第１反射鏡１３７、第２反射鏡１３８及び第４ビームスプリッタ１３４が省略された。具体的には、参照ビームが前記第２視準器１１２によって視準された後、第２ビームスプリッタ１３２によって２つのビームに分割され、一つの参照分割ビーム５０３は第３反射鏡１３９を経て垂直測定モジュールの偏光ビームスプリッタプリズム１２１に投射されて、一つの測定分割ビーム５０１が回折格子２００上に投射されてから戻される２次回折光中の０次回折光５０６と合流して、第一遠隔カプラ１３５に投射される。他の参照分割ビーム５０３は第三ビームスプリッタ１３３によって他の測定分割ビーム５０２と合流して、第二遠隔カプラ１３６に投射される。ここで、測定分割ビーム５０１は第一ビームスプリッタ１３１から回折格子２００上で２次回折が発生するまで出射される光路全体は図１を参照することができる。本実施例の他の部分の構造及び動作原理は実施例１と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【実施例３】
【００５７】
本実施例は垂直測定を実現することができるとともに、水平方向の変位測定も実現することができるという点で実施例１及び２と区別される。
【００５８】
図３に示すように、本実施例の回折格子測定装置は、光源モジュール３００と、回折格子測定プローブ１００と、回折格子２００と、前記回折格子測定プローブ１００に接続された複数の検出器（図示せず）とを含む。光源モジュール３００は偏波保持ファイバ４０１、４０２を介してそれぞれ回折格子測定プローブ１００に周波数の異なる２つのビームを入力し、回折格子測定プローブ１００は回折格子２００によって検出された後、マルチモードファイバ４０３〜４０６を介して検出器にＸ、Ｙ、Ｚ付き位置情報及び参照信号を出力する。
【００５９】
図３に示すように、本実施例は実施例１と比較して、水平検出モジュールと水平測定モジュールが増設されている。前記水平測定モジュールは対称するように設置された二つの第一コーナーキューブプリズム１４１ａ、１４１ｂを含み、前記第一コーナーキューブプリズム１４１ａ、１４１ｂはそれぞれ回折格子２００上に投射されたビームの＋１次、−１次回折光（＋１／−１次ビームに制限されず、＋２／−２次ビーム、１次及び／又は２次ビームの組み合わせも用いることができる。）の収集に用いられ、該±１次回折光を反射した後、再び前記回折格子２００に投射し、さらに回折格子２００によって回折されてから前記水平検出モジュールに集中投射される。  
【００６０】
前記水平検出モジュールは、第一偏光ビームスプリッタプリズム１５３、第三遠隔カプラ１５４及び第四遠隔カプラ１５５を含む。
【００６１】
具体的には、前記測定ビームは第一ビームスプリッタ１３１によって分割された後、一つの測定分割ビーム５０１は前記垂直測定モジュールによって回折格子２００の表面に投射され、前記回折格子２００の表面で反射及び回折が発生される。回折ビームは前記第一偏光ビームスプリッタプリズム１５３によってそれぞれ第三遠隔カプラ１５４及び第四遠隔カプラ１５５に投射され、他の測定分割ビーム５０２は前記第二遠隔カプラ１３６に投射されて参照信号とする。
【００６２】
参照ビームは前記第二ビームスプリッタ１３２によって分割された後、一つの参照分割ビーム５０３は回折格子２００の表面に投射され、また前記回折格子２００の表面で回折され、回折ビームは前記第一偏光ビームスプリッタプリズム１５３によってそれぞれ第三遠隔カプラ１５４及び第四遠隔カプラ１５５に投射される。分割後の他の参照分割ビーム５０４は前記第二遠隔カプラ１３６に投射されて、参考信号とされる。
【００６３】
具体的には、前記光源モジュール３００は周波数がそれぞれｆ０＋Δｆ１、ｆ０＋Δｆ２の二つのビームを発射し、区別のために、周波数がｆ０＋Δｆ１の偏光ビームを測定ビームと称し、周波数がｆ０＋Δｆ２のビームを参考ビームと称する。測定ビームは垂直測定モジュールを通過する時の偏光状態変化を図４に示す。測定ビームの偏光方向は参考ビームの偏光方向に対して夾角ａを有する。偏光ビームスプリッタプリズム１２１の配置方向も相応してａ角度回転する。測定ビームは偏光ビームスプリッタ１２１に入射された後、偏光方向は変わらず、偏光コントローラ１２３によって後偏光方向はａ角度回転する。この時に、測定ビームの偏光方向は参照ビームの偏光方向と同じであり、両方とも回折格子２００の格子方向に対し夾角θを呈する。もちろん、前記測定ビームと参照ビームは何れも回折格子２００の表面に垂直に入射する。本実施例において、夾角ａは４５度である。
【００６４】
具体的には、二重周波数光入射モジュールによって変調された後の測定ビームは、前記第１ビームスプリッタ１３１によって分割された後、一つの測定分割ビーム５０１は前記垂直測定モジュールによって回折格子２００の表面に入射され、また、前記回折格子２００の表面で回折される。回折された−１次ビームは、前記第一偏光ビームスプリッタプリズム１５３によってそれぞれ第三遠隔カプラ１５４及び第四遠隔カプラ１５５に投射され、分割された他の測定分割ビーム５０２は前記第二遠隔カプラ１３６に投射される。回折格子２００で回折された０次ビームは、偏光コントローラ１２３によって偏光方向を回転し、０次偏光ビームは偏光ビームスプリッタプリズム１２１を通過する時に反射が発生し、またコーナーキューブプリズム１２２を経て偏光ビームスプリッタプリズム１２１に戻り、さらに回折格子２００に入射されてから０次回折光５０６に戻って、最終的に第五ビームスプリッタ１３ｂによって第一遠隔カプラ１３５に投射される。
【００６５】
参考ビームは、前記第二ビームスプリッタ１３２によって分割された後、一つの参照分割ビーム５０３は第四ビームスプリッタ１３４によってさらに二つの参照サブ分割ビーム５０３ａ、５０３ｂに分割され、参照サブ分割ビーム５０３ａは回折格子２００の表面に投射されて、前記回折格子２００の表面で回折され、回折された＋１次ビームは前記第一偏光ビームスプリッタプリズム１５３によってそれぞれ第三遠隔カプラ１５４及び第四遠隔カプラ１５５に投射される。参照サブ分割ビーム５０３ｂはビームスプリッタ１３ｂを経て第一遠隔カプラ１３５に投射され、参照ビームが前記第二ビームスプリッタ１３２によって分割された後の他の参照分割ビーム５０４は第三ビームスプリッタ１３３を経て前記第二遠隔カプラ１３６に投射される。さらに、前記第一偏光ビームスプリッタプリズム１５３の分光方向は回折格子２００の格子ピッチ方向と同じである。
【００６６】
回折格子２００がＸ方向に運動ΔＸするとき、第三遠隔カプラ１５４から被測定変位ΔＸを含む干渉信号が検出され、その縞数はＮ１である。
Ｎ１＝［（ｆ０＋Δｆ２）Ｔ１＋２ΔＸ／ｄ］−［（ｆ０＋Δｆ１）Ｔ１−２ΔＸ／ｄ］＝（Δｆ２−Δｆ１）Ｔ１＋４ΔＸ／ｄ    （１）
【００６７】
ここで、Ｔ１は回折格子がΔＸ変位量運動するのにかかる時間であり、ｄは回折格子２００の格子ピッチである。周波数ｆ０＋Δｆ１のビームは回折格子２００の−１次回折光の方向で回折が２回発生し、位相変化は−２ΔＸ／ｄであり、周波数ｆ０＋Δｆ２のビームは回折格子２００の＋１次回折光の方向で回折が２回発生し、位相変化は＋２ΔＸ／ｄである。
【００６８】
第二遠隔カプラ１３６から被測定変位ΔＸを含まない参照信号が検出され、その縞数はＮ２である。
Ｎ２＝（ｆ０＋Δｆ２）Ｔ１−（ｆ０＋Δｆ１）Ｔ１＝（Δｆ２−Δｆ１）Ｔ１    （２）
【００６９】
２つの検出器によって検出された縞数を減算することによって、回折格子２００の回折格子測定プローブ１００に対するＸ方向への運動の変位ΔＸが得られる。
ΔＸ＝ｄ（Ｎ１−Ｎ２）／４    （３）
【００７０】
回折格子２００がＹ方向に運動ΔＹするとき、第四遠隔カプラ１５５から被測定変位ΔＹを含む干渉信号が検出され、その縞数はＮ３である。
Ｎ３＝［（ｆ０＋Δｆ２）Ｔ２＋２ΔＹ／ｄ］−［（ｆ０＋Δｆ１）Ｔ２−２ΔＹ／ｄ］＝（Δｆ２−Δｆ１）Ｔ２＋４ΔＹ／ｄ    （４）
【００７１】
ここで、Ｔ２は回折格子がΔＹ変位量運動するのにかかる時間であり、ｄは回折格子２００の格子ピッチである。周波数ｆ０＋Δｆ１のビームは回折格子２００の−１次回折光の方向で回折が２回発生し、位相変化は−２ΔＹ／ｄであり、周波数ｆ０＋Δｆ２のビームは、回折格子２００の＋１次回折光の方向で回折が２回発生し、位相変化は＋２ΔＹ／ｄである。
【００７２】
参照信号検出器によって検出された縞数Ｎ２と減算することによって、回折格子２００が回折格子測定プローブ１００に対してＹ方向へ運動する変位ΔＹが得られる。
ΔＹ＝ｄ（Ｎ３−Ｎ２）／４
【００７３】
前記回折格子測定プローブ１００で、スポット分布方向は回折格子２００の格子ピッチ方向に対してθ角度傾斜し、Ｘ及び／又はＹ方向の位置測定を実現するために、θは０〜３６０度及び０〜３６０度の倍数の何れの角度であってもいいことに留意すべきである。
前記角度が０、９０、１８０、３６０度及び９０度の倍数である時に、ＸまたはＹの位置を検出することができ、回折格子２００の水平方向の一次元位置測定を実現する。前記角度が０、９０、１８０、３６０度及び９０度の倍数以外の角度である場合、Ｘ及び／又はＹの位置を検出することができ、回折格子スケールの水平方向の二次元位置測定を実現する。
特に、前記角度が４５度、１３５度及び４５＋ｋ＊９０度（ｋは自然数）である時に、回折格子測定プローブ１００のＸ及びＹ方向は回折格子２００の刻線方向に対して対称するように分布され、Ｘ及びＹ方向の光信号のエネルギー分布は均一であって、水平方向の二次元位置測定を良好に実現することができる。
【００７４】
本発明は、２つ以上の異なる周波数の偏光入力を採用して、回折格子のＸ軸及び／又はＹ軸及び／又はＺ軸の変位の測定を実現することができる。また、検出する軸数及び補助補正装置またはその他の補正装置を適宜増加することによって測定自由度を増加させ、多軸測定を通じて測定の適応を改善し、測定の誤差を低減し、例えば、Ｒｘ及び／又はＲｙ及び／又はＲｚの測定を実現する。本発明は、ステップリソグラフィ装置または走査リソグラフィ装置のワークピーステーブル及びマスクテーブルの運動制御フィードバックシステムに用いられ、移動テーブルの超高精度、及び多自由度の姿勢制御を実現することができる。その他にも、レーザー、Ｘ線、イオンビームなどの高精度測定におけるモーションデバイスの測定及びフィードバック制御にも用いられることができる。
【００７５】
本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は本発明の精神及び範囲を逸脱しないで本発明について各種改進及び変形を行うことができることは明らかである。このように、本発明のこれらの修正及び変形が本発明の特許請求範囲及び同等の技術範囲内に属すれば、本発明はこれらの改進及び変形を含むものとする。
【符号の説明】
【００７６】
１００−回折格子測定プローブ
１１１−第一視準器、１１２−第二視準器、１１３−ウェッジ対
１２１−偏光ビームスプリッタプリズム、１２２−コーナーキューブプリズム、１２３−偏光コントローラ
１３１−第一ビームスプリッタ、１３２−第二ビームスプリッタ、１３３−第三ビームスプリッタ、１３４−第四ビームスプリッタ、１３５−第一遠隔カプラ、１３６−第二遠隔カプラ、１３７−第一反射鏡、１３８−第二反射鏡、１３９−第三反射鏡、１３ａ−第四反射鏡、１３ｂ−第五ビームスプリッタ
１４１ａ、１４１ｂ−第一コーナーキューブプリズム
１５３−第一偏光ビームスプリッタプリズム、１５４−第三遠隔カプラ、１５５−第四遠隔カプラ
２００−回折格子
３００−光源モジュール、３０１−レーザー、３０２−アイソレータ、３０３−ビームスプリッタ、３０４−反射鏡、３０５−第一周波数シフター、３０６−第二周波数シフター、３０７−第一カプラ、３０８−第二カプラ
４０１、４０２−偏波保持ファイバ、４０３、４０４、４０５、４０６−マルチモードファイバ
５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６−ビーム
【図１】
2019523403.tif 000003
【図２】
2019523403.tif 000004
【図３】
2019523403.tif 000005
【図４】
2019523403.tif 000006
【国際調査報告】
2019523403.tif 000007
2019523403.tif 000008
2019523403.tif 000009
2019523403.tif 000010
2019523403.tif 000011
2019523403.tif 000012